钻石的秘密
美丽的钻石，闪耀着绚丽的光芒，“钻石恒久远，一颗永流传”, 长久以来高贵而美丽的钻石代表了浪漫的爱情，总是令人心驰神往。
1什么是钻石？
钻石在矿物学上我们称之为金刚石，其化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，硬度高，光泽极强，导热系数极高。它是自然界所有矿物中硬度之首。德国矿物学家Friedrich Mohs 选择硬度不同的十种矿物作标准，组成摩氏硬度计，共分十度：1滑石、2石膏、3方解石、4萤石、5磷灰石、6长石、7石英、8黄玉、9刚玉、10金刚石。金刚石作为最硬的矿物除了被当做宝石，还被应用在各个领域，比如金刚笔切割玻璃、高压腔内部材料等等。
那么，硬度为10的金刚石是由什么组成的呢？你一定觉得难以置信，它与石墨组成元素是一样的，它们都是碳元素的单质，同样是碳原子组成，金刚石硬度极高而石墨却很柔软（石墨硬度仅为1，铅笔芯就是石墨做的）；这是因为它们的矿物晶体结构不同，也就是碳原子排列方式不同。金刚石的碳原子是立方面型晶胞的晶体结构，碳原子形成一种四面体结构，把四个最相近的原子绑定到一起，这种四面体结构很难被破坏；而石墨是层状结构，它们的原子在同一个平面上形成，每个原子之间形成120度的夹角，很容易被外力破坏掉。这种由同样的单一化学元素组成,因排列方式不同,而具有不同性质的单质称之为同素异形体。
2 钻石的起源
钻石的历史起源于印度。早在公元前四世纪的文献中已有关于钻石的描述和记载，考古研究发现印度人在公元前四世纪已用钻石作为工具，对其它宝石的珠子进行雕琢。当时的印度人已知道，当两颗钻石相互碰撞时，部分钻石会裂开甚至蹦掉，这是钻石辟开加工的开始。在印度人看来，世间万物都有“生世之谜”，传说钻石的前世是一位名叫巴拉的勇猛无比的国王，他不仅出生纯洁，其平生所作所为亦光明磊落，当他在上帝的祭坛上焚身后，他的骨头便变成了一颗颗钻石的种子，众神均前来劫夺，他们在匆忙逃走时从天上洒落下一些种子，这些种子就是蕴藏在高山、森林、江河中的坚硬、透明的金刚石。在十七世纪之前，虽然早期婆罗洲也产钻石，但由于产量极少，因此可以说印度是当时钻石的唯一产地。
古印度人把钻石颜色分为四个等级，这是印度所特有的种姓制度，就是对印度人地位、身份所进行的一种划分：无色的钻石称作“婆罗门”；浅红色的钻石称作“刹帝利”；浅绿色的钻石称作“吠舍”；灰色的钻石称作“首陀罗”。
著名的马果钻石，是历史上最早发现的一颗巨型钻石原石，重787.5克拉（克拉，ct,1克拉=0.2克，1克拉又分为100分，50分就是0.5克拉），早在1304年发现于印度的戈尔康地区，该区也是世界上最早发现金刚石矿床的地方。至今，其重量在钻石原石中名列第四位。该原石晶形不完整，但无色透明，光彩照人，极为珍贵。该原石几经周折，多次被盗，最后落入英国女王维多利亚手中。其后经精心设计，切割成若干块钻石。其中最有名的有两颗，一颗命名为科赫依尔（Koninoor），重108.93克拉，呈椭圆形，镶嵌在英国女王母后王冠上；另一颗称为奥尔洛夫（Orloff），重189.6克拉，呈玫瑰形，现珍藏在莫斯科的克里姆林宫，奥尔洛夫钻石重量居成品钻石第九位。
3钻石从哪里来？
从地质学的角度来看，钻石主要产生于金伯利岩和钾镁煌斑岩中。成矿的金伯利岩或者钾镁煌斑岩岩体规模不大，多呈筒状、透镜状或岩墙状产出。
金伯利岩和钾镁煌斑岩是富含碱和挥发气体的超基性岩。这些地球深部的岩浆上涌过程会形成一定的温度压力，到达合适的条件就会产生钻石，之后随岩体带至地表。钻石的产生需要碳源和高压环境，其保存也需要合适的温压条件，否则，形成的钻石将转变为石墨。
黑色的圈是金伯利岩筒的分布地，白色圈是钾镁煌斑岩的分布地
天然钻石的产地分布极不均匀，钻石虽然首先发现于印度，但储量最高的几个国家却是澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、俄罗斯、南非等,其中南非供应了50%以上宝石级钻石。我国的钻石储量大约排在世界第十位，主要分布在辽宁瓦房店、山东蒙阴和湖南沅江流域等地区。
天然钻石的开采极为困难，一般从23吨的砂矿中，才能选出4.5克拉的钻石，而经过加工成装饰品的钻石仅有0.45克拉，正是因为稀少，它的价值才如此昂贵。市面上有天然钻石，也有合成钻石，但是合成1克拉以上的钻石成本比较高，市面上少见，目前市场上的克拉钻价值在10万人民币左右，而合成的细小钻石目前大约2000元/kg，价格差距在25万倍，即使是克拉级别的合成钻石，一般价格也就是千元级别。1克拉以下的合成钻石已在市面上流通，与天然钻石物理性质相似，多呈淡褐、淡棕色，颜色不太均匀，晶体中常含金属片，吸铁石可吸起，颗粒小，一般小于9.8mm。紫外线照射下具荧光，但不均匀，宝石中心呈带绿的荧光，边缘显无色荧光。
4人造钻石
钻石不仅仅可以加工成价值连城的珠宝，在工业中也大有作为。它硬度高、耐磨性好，可广泛应用于切削、制造树脂或陶瓷结合剂磨具，可制造地质钻探钻头，半导体及非金属材料切割工具；由于导热率高、电绝缘性好，可作为半导体装置的散热板；它有优良的透光性和耐腐蚀性，在电子工业中也有重要的用途。可以毫不夸张的说，一个国家不重视发展工业钻石，那么国防现代化、工业现代化和科学技术现代化就无从谈起；然而天然钻石的产量太低，只有依靠人工制造才能满足工业需求。
相对于世界上产量较高的国家，我国的天然钻石资源比较贫乏，产量仅为全球的0.1％，国家工业用钻石99％以上依赖国产合成钻石。目前，中国人造合成钻石的产量已经超过世界总产量的90％。但是国产人造钻石量大价低，在高端市场不占优势。
20世纪50年代的第一颗人造钻石的诞生，为人工合成钻石的科研、生产、应用打开了闸门，这主要得益于高温高压技术的发展。超高压高温装置的研制成功实现了人工合成钻石的美好愿望。这里需要提及的是美国著名的高压研究者P.W.Bridgman 在超高压技术方面的研究所做出的杰出贡献 ,并为这门技术奠定了基础。以美国通用电器公司H.T.Hall为首的实验小组，根据P.W.Bridgman的大质量支撑原理所设计的 Belt 两面顶装置 ,并解决了用金属催化剂来实现石墨直接转变为钻石的关键技术。为后来人造钻石的发展作出了开创性的贡献。Hall在1954年12月16日第一次实现了商用人造钻石的制造，他的突破主要是使用了一个Belt两面顶压力机，可以产生10GPa的高压和2000℃的高温。这个压力机使用叶腊石作为容器，石墨溶解在熔融镍、铁、或者钴之中。这些金属充当熔融催化剂，既溶解碳，又加速其转化为钻石。虽然当时制造的钻石直径只有0.15毫米，作为珠宝而言太小了，视觉上也没有什么冲击，但是仍然可以作为工业研磨使用。他的同事后来重复了他的工作，并把结果发表在Nature期刊上。
目前超高压高温装置的种类很多，但是，世界上钻石生产的超高压装置大致有三种类型：以GE公司和De Beers公司为代表的年轮式超高压高温装置、以中国为代表的镀链式六面顶超高压高温装置、以前苏联为代表的双面凹凸式超高压高温装置。
1963年12月，中国合成出国内第1颗钻石，拉开了中国钻石工业生产的序幕。1971年9月，“全国人造金刚石会议”召开前，当时国家领导人曾多次指示，“必须把这项重要战略物质立足于国内，现在花几千万美元从资本主义国家进口，人家不给怎么办？”如今，中国人造钻石不仅可以满足国内需求，而且从80年代后期开始出口国外。截止2013年，中国钻石出口国家地区62个，出口量达23.3亿克拉，出口额1.35亿美元。
合成压机是人造钻石的核心设备，其要创造一个高温（大于1400℃）、高压（大于5GPa）的合成腔体，依照碳元素平衡相图，在这个腔体内，使碳原子形成稳定的钻石晶体。国外常用单轴向压力机，通称为两面顶压机。中国则用互成90°的三轴向压力机，也就是六面顶压机。中国从1965年设计制造了这种六面顶压机，迄今整个行业几乎全部采用六面顶压机，成为中国特色。近些年，国外业界知名公司逆转对中国六面顶压机的负面看法，批量采购，引进中国的方法生产钻石，不得不说这也是一个中国制造的成功案例。
目前商用的高温高压低成本的钻石制造方法难以生产1mm以上的宝石级别的钻石，GE公司早期开发的高温高压温差法仍然是唯一的一种有效方法。1970年苏联学者在实验室尝试在低温低压条件下制备钻石，实现了钻石合成技术的二次飞跃。通常使用的化学气相沉积法生长出来的钻石膜（CVD）具有与单晶钻石几乎相同的性能。但是这种方法有一个问题就是生长速度太慢。
说到这里不得不提到一位著名的华人科学家毛河光（Ho-Kwang Mao）。他是世界高温高压研究领域的顶尖人物，世界杰出高压科学家，其中一项重要成就便是利用高压解决了“钻石快速长大”的科学难题。毛河光1959年考入台湾大学地质系，1967年获得美国罗切斯特大学博士学位，1968年进入卡内基地球物理实验室，1979年受聘为吉林大学名誉教授，1993年当选美国科学院院士，1996年当选中科院外籍院士，2002年被聘为吉林大学高压科学与技术中心主任，2005年被聘为吉林大学教授，组建北京高压科学研究中心并担任主任。2017年8月10日，中国东北岫岩陨石坑中发现的天然高温高压铁镁氧化新矿物被国际新矿物（IMA）命名与分类委员会批准命名为“Maohokite”,中文名：毛河光矿。毛河光在科研方面成就卓越，发表论文900多篇，其中Science期刊44篇，Nature期刊19篇，PNAS期刊63篇，PRL期刊63篇，通过谷歌学术查阅到毛河光目前被引用超过5万次，H指数120。
毛河光院士
毛河光1988年在250Gpa以上超高压下进行氢的金属化研究，观察到氢变成黑色后不透明，同时有拉曼光谱增强的现象。后来毛河光使用化学气相法来“养”钻石，把天然钻石与从牛粪产生的沼气中提炼的高纯度甲烷，在加上氢气、氮气的辅助，在微波炉中利用高压的方法，让甲烷中的碳分子不断累积到天然钻石的表面上，一个小时可以生长300微米。随着技术的进步，在2005年，毛河光制成了一颗10克拉无色透明的CVD钻石，一下轰动国际学界和宝石界。我国的金刚石压腔（DAC）超高压研究工作，就是在毛河光的指导下从无到有、从小到大发展起来的。他在70年代就开始和国内合作，传授技术和理论、实验方法，在他的帮助下，我国在地幔矿物学、高压物理、高压相变等方面的研究工作在国际上开始占有一席之地。鉴于毛河光的贡献，1996年被聘为中科院外籍院士，2002年中国政府授予他“国家友谊奖”，被媒体称为“可敬的海外赤子”。
合成钻石的技术一直在发展，2017年，德国奥格斯堡大学的研究人员历时26年，利用化学气相沉积的方法，在只有十分之一大气压的低压环境下，研究出来超大钻石的培养方法。这颗单晶钻石的直径有92mm，甚至比英国女王权杖上的“库利南1号”的直径还要大。不过我们显然可以看到这个大钻石和天然钻石的视觉差距了，无论是纯洁度还是闪光性，目前的人造钻石和天然钻石还是没有可比性的。
钻石正是因为稀少、坚硬、纯洁才如此珍贵，被视为权利和荣耀的象征。但随着技术的发展，或许不久的未来科学家们可以合成出来和天然钻石一模一样的人造宝石级别的钻石，达到“以假乱真”的地步，天然钻石也就不会这么昂贵了。
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